數(shù)字信號(hào)處理1

數(shù)字信號(hào)處理

吳強(qiáng)wuqiang@2012.2—信號(hào)和系統(tǒng)概念—什么是DSP？—DSP的理論、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用—關(guān)于本課的教學(xué)內(nèi)容:信號(hào)定義信號(hào)分類(lèi)典型信號(hào)信號(hào)處理DSP的優(yōu)點(diǎn)DSP的應(yīng)用本課程概要緒論掌握離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的概念和基本理論；掌握離散時(shí)間信號(hào)的基本分析方法；能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器；能夠應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和方法,解決一些實(shí)際問(wèn)題；了解數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的最新進(jìn)展，為今后從事該領(lǐng)域的工作打下良好的基礎(chǔ)。

教學(xué)目標(biāo)教材及參考書(shū)數(shù)字信號(hào)處理教程，程佩青，清華大學(xué)出版社數(shù)字信號(hào)處理——理論、算法與實(shí)現(xiàn)（第二版），胡廣書(shū)，清華大學(xué)出版社數(shù)字信號(hào)處理（第2版），俞卞章，西北工業(yè)大學(xué)出版社A.V.奧本海姆，R.W.謝弗著，黃建國(guó)等譯，離散時(shí)間信號(hào)處理，科學(xué)出版社數(shù)字信號(hào)處理——使用MATLAB，劉樹(shù)棠，西安交通大學(xué)出版社英文教材:V.K.Ingle,J.G.Porakis,

DigitalSignalProcessingUsingMATLAB，2006SanjitK.Mitra,DIGITALSIGNALPROCESSING---ACONPUTER—BASEDAPPROACH（3rDEDITION）,McGraw-HillandTsinghuaUniversityPress,2000DSP(DigitalSignalProcessing)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。

DSP是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、綜合、估值、識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的的一門(mén)學(xué)科。一、數(shù)字信號(hào)處理的基本概念信號(hào):信號(hào)是一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù),該函數(shù)含有物理系統(tǒng)的信息或表示物理系統(tǒng)狀態(tài)或行為。(e.g.:i(t),v(t),g(x,y)).獨(dú)立變量:時(shí)間、距離、速度、位置、溫度和壓力等

信號(hào)分類(lèi)（1）按獨(dú)立變量（自變量）分；（2）按信號(hào)取值定義值域（因變量）分。

按獨(dú)立變量個(gè)數(shù)可分成：1-dimensional(1-D),2-D,toM-D.按獨(dú)立變量定義域和信號(hào)值域可分成：連續(xù)時(shí)間信號(hào)、模擬信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)和數(shù)字信號(hào)——

CTS、AS、DTS和DS（Continuous-TimeSignals→AnalogSignals;Discrete-TimeSignals→DigitalSignals）.

1.信號(hào)概述

——按獨(dú)立變量個(gè)數(shù)分：1-D信號(hào)：?jiǎn)蝹€(gè)獨(dú)立變量的一維函數(shù),e.g.語(yǔ)音信號(hào)。2-D信號(hào)：兩個(gè)獨(dú)立變量的二維函數(shù),e.g.圖象信號(hào)。M-D信號(hào)：多個(gè)獨(dú)立變量的多維函數(shù),e.g.彩色視頻信號(hào)(RGB)。

波形:信號(hào)幅度隨獨(dú)立變量變化的函數(shù)，通常1-D信號(hào)的獨(dú)立變量為時(shí)間。——周期信號(hào)與非周期信號(hào)如果x(t)=x(t+kT),k為整數(shù)或者x(n)=x(n+kN),N為正整數(shù)，n+kN為任意整數(shù)，則x(t)和x(n)都為周期信號(hào)，周期是T和N，否則是非周期信號(hào)——確定信號(hào)與非確定信號(hào)若信號(hào)在任意時(shí)刻的取值能精確確定，則稱(chēng)之為為確定信號(hào)，如果信號(hào)在任意時(shí)刻的取值不能精確確定，或者說(shuō)取值是隨機(jī)的，則稱(chēng)為隨機(jī)信號(hào).——能量信號(hào)和功率信號(hào)若信號(hào)能量E有限，則

稱(chēng)為能量信號(hào)；若信號(hào)功率P有限，則稱(chēng)為功率信號(hào)信號(hào)類(lèi)型

——按獨(dú)立變量連續(xù)性分：連續(xù)時(shí)間信號(hào)(CTS)

：獨(dú)立時(shí)間變量連續(xù)有定義(e.g.,x(t))，信號(hào)幅值可以為連續(xù)也可以為離散的。

離散時(shí)間信號(hào)(DTS)

：獨(dú)立時(shí)間變量在離散時(shí)間點(diǎn)有定義{x(nT)}，幅值是連續(xù)的。模擬信號(hào)(AS)

：獨(dú)立時(shí)間變量連續(xù)有定義，且信號(hào)幅值連續(xù)有定義，是CTS的一個(gè)特例。

數(shù)字信號(hào)(DS)

：獨(dú)立時(shí)間變量在離散時(shí)間點(diǎn)有定義、信號(hào)幅值僅取離散值，且通常用二進(jìn)制編碼表示。信號(hào)類(lèi)型1.連續(xù)時(shí)間信號(hào)：CTS(ContinuousTimeSignal/AnalogSignal)—x(t)2.離散時(shí)間信號(hào)：DTS(DiscreteTimeSignal/Sequence)—

x[n]（在離散時(shí)間點(diǎn)上取值）信號(hào)舉例系統(tǒng)系統(tǒng)定義為處理（或者變換）信號(hào)的物理設(shè)備，或者進(jìn)一步說(shuō)，凡是能將信號(hào)加以變換達(dá)到人們要求的各種設(shè)備都統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)。按所處理的信號(hào)種類(lèi)的不同可將系統(tǒng)分為四類(lèi)：(l)模擬系統(tǒng)：處理模擬信號(hào)，系統(tǒng)輸入、輸出均為連續(xù)時(shí)間連續(xù)幅度的模擬信號(hào).(2)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：處理連續(xù)時(shí)間信號(hào).系統(tǒng)輸入、輸出均為連續(xù)時(shí)間信號(hào).(3)離散時(shí)間系統(tǒng)：處理離散時(shí)間信號(hào)序列.系統(tǒng)輸入、輸出均為離散時(shí)間信號(hào).(4)數(shù)字系統(tǒng)：處理數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)輸入輸出均為數(shù)字信號(hào).系統(tǒng)可以是線(xiàn)性的或非線(xiàn)性的，時(shí)（移）不變或時(shí)（移）變的.1.信號(hào)的采集實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化，包括取樣、量化。2.信號(hào)的分析信號(hào)描述與運(yùn)算，各種變換，時(shí)、頻域分析。3.系統(tǒng)分析線(xiàn)性系統(tǒng)與非~，時(shí)變系統(tǒng)與非~，線(xiàn)性時(shí)（移）不變系統(tǒng)，因果系統(tǒng)與非~，線(xiàn)性時(shí)（移）不變因果系統(tǒng)。4.快速算法FFT,快速卷積、相關(guān)算法。5.數(shù)字濾波技術(shù)(1)IIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)；(2)FIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)。2.數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌（研究?jī)?nèi)容）6.信號(hào)的頻譜分析與估值

確定信號(hào)：譜分析；

隨機(jī)信號(hào)：相關(guān)計(jì)算、譜估計(jì)。7.特殊算法反卷積，信號(hào)重構(gòu)（小波變換、壓縮感知）。8.數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)(1)在通用微機(jī)上，用軟件實(shí)現(xiàn);(2)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn);(3)專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP（TI，Xilinx等）。2.數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌（研究?jī)?nèi)容）3.數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號(hào)處理器D/A變換器模擬濾波器y(n)y(t)DSP實(shí)現(xiàn)方法：-軟件實(shí)現(xiàn)法-硬件實(shí)現(xiàn)法-DSP芯片法實(shí)例：●時(shí)間序列(stockindices,production,measurements)●連續(xù)時(shí)間采樣信號(hào)(Speech)●ECG(Electrocardiograph心電圖)和EEG(Electroencephalo-graph腦電圖描記器)信號(hào)(1-D)●地質(zhì)勘探信號(hào)(3-D)●音樂(lè)信號(hào)(1-D)●圖像(2-D,3-D)二、實(shí)際應(yīng)用中的DTS信號(hào)股票指數(shù)：人口統(tǒng)計(jì)：DTS例子(I)溫度測(cè)量：DTS例子(II)連續(xù)信號(hào)的離散化：DTS例子(III)信號(hào)處理是研究用系統(tǒng)對(duì)含有信息的信號(hào)進(jìn)行處理(變換)，以獲得人們所希望的信號(hào)，從而達(dá)到提取信息、便于利用的一門(mén)

學(xué)科.信號(hào)號(hào)處理的內(nèi)容包括濾波、變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)別等一系列的加工處理.●

信號(hào)表示：時(shí)域和頻域表示；

●

信號(hào)變換：離散時(shí)間Fourier變換（DTFT）、離散Fourier變換（DFT）和z變換，以及變換的快速算法（FFT）。

●

信號(hào)處理：濾波、壓縮、調(diào)制及解調(diào)和信號(hào)分析。

●

信號(hào)運(yùn)算：延遲、加、減、乘和卷積。三、信號(hào)處理LPFHPFBPF典型的DT濾波系統(tǒng)的理想特性：Low-PassFilter低通濾波器High-PassFilter高通濾波器Band-PassFilter帶通濾波器信號(hào)處理(II)優(yōu)點(diǎn)：(1)精度高(2)靈活性高(3)可靠性強(qiáng)(4)容易大規(guī)模集成(5)時(shí)分復(fù)用(6)可獲得高性能指標(biāo)(7)可以進(jìn)行二維或者多維處理缺點(diǎn)：(1)增加復(fù)雜性（e.g.:A/D和D/A）；(2)工作頻率受限。

四、DSP的優(yōu)越性濾波——選頻濾波e.g.:多正弦信號(hào)：

五、DSP的應(yīng)用均衡;編碼與壓縮多聲道模擬、混響效果應(yīng)用：語(yǔ)音處理應(yīng)用：說(shuō)話(huà)人識(shí)別應(yīng)用：盲源分離應(yīng)用：盲源分離應(yīng)用：人機(jī)對(duì)話(huà)交互應(yīng)用：腦機(jī)交互Holdcupfordrinking應(yīng)用：信號(hào)預(yù)測(cè)應(yīng)用：語(yǔ)音傳輸應(yīng)用：圖象處理（I）邊沿檢測(cè)應(yīng)用：圖象處理（II）圖像復(fù)原

應(yīng)用：DigitalCamera